粉末冶金成型
粉末冶金特种成形技术
第5章粉末冶金特种成形技术5.1概述粉末的制备、成形和烧结是粉末冶金过程中的三个基本环节。
传统的粉末冶金成形通常是将需要成形的粉末装入钢模内,在压力机上通过冲头单向或双向施压而使其致密和成形,压机能力和压模的设计成为限制压件尺寸及形状的重要因素。
由于粉末与模壁的摩擦而使压力降低,使成形密度不均匀,限制了大型坯件的生产。
所以,传统的粉末冶金零件尺寸较小,单重较轻,形状也简单。
随着粉末冶金产品对现代科学技术发展的影响日益增加,对粉末冶金材料性能以及产品尺寸和形状提出了更高的要求,传统的钢模压成形难以适应需要。
为了解决上述问题,很多学者广泛地研究了各种非模压成形方法,相对于传统的模压成形,将后者称之为粉末冶金特种成形技术。
粉末冶金成形技术一直处于不断发展演化过程中,从传统的单向压制到双向压制,再到等静压成形,从冷等静压成形到热等静压成形,还出现了准等静压成形(包括陶粒压制、STAMP工艺、快速全向压制等)、温压成形、流动温压成形、高压温压成形、喷射成形、挤压成形、粉浆浇注成形、粉末轧制成形、粉末锻造成形、金属粉末注射成形、粉末电磁成形等特种成形技术。
有些技术既是粉末成形过程,也是烧结过程,如粉末热等静压成形、放电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结等。
目前,现代粉末冶金成形技术正朝着高致密化、高性能化、高生产效率、低成本方向发展。
不同的特种成形方法具有不同的特点,应从坯件的性能、形状和尺寸三方面适应制品的特殊需要。
本章将对它们的原理、特点、工艺及应用等进行论述。
其中粉末喷射成形、注射成形分别在第4章与第8章中讨论,而放电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结技术在“粉末冶金特种烧结技术”中讨论。
5.2 等静压成形(IP)等静压成形(Isostatic Pressing)是借助于高压泵的作用把流体介质(气体或液体)压入耐高压的钢质密封容器内,高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上,粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。
第四章 粉末冶金原理成形前粉末的预处理
成形剂及其分解产物不与粉末发生反应
分解温度范围较宽 分解产物不污染环境
润滑剂 ↓粉末颗粒与模壁间的摩擦
摩擦力导致
压坯密度分布不均匀 影响被压制工件的表面质量 降低模具的使用寿命
粉末压制用的润滑剂
硬脂酸
硬脂酸锌 工业润滑蜡
PEG
(二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用)
难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯体足够的 强度
添加成形剂提高生坯强度,利于成形
2)流动性差的粉末 粘结剂作用
细粉或轻质粉末
适当增大粉末粒度,减小颗粒间的摩擦力
改善粉末流动性,提高压制性能
橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS 、PEG、PVA等
选择准则
能赋予待成形坯体以足够的强度
易于排除
末压制性能
用还原法、机械研磨法、电解法、喷雾法以及
羰基离解法所制取的粉末通常都要进行退火处理。
粉末钝化
使细粉末适度变粗,或形成氧化薄膜,防止粉末 自燃
退火温度
高于回复-再结晶温度,(0.5-0.6)Tm 电解铜粉的退火温度约为300℃,电解铁粉或电解 镍粉约为700 ℃,不能超过900 ℃
退火气氛 还原性气氛(CO,H2),惰性气氛,真空
在要求清除杂质和氧化物,即进一步提高粉末化学纯度时,要采用 还原性气氛(氮、分解氨、转化天然气或煤气等)或真空退火; 消除粉末的加工硬化或者使细粉末粗化防止自燃时,就可以采用惰
性气体作为退火气氛。
2、合批与混合 blending
混合
and
mixing
不同成分的粉末借助于外力作用实现颗粒组份间分 布均匀的过程 合批 同类粉末或粉末混合物的混合 消除因粉末在运输过程中产生的偏析或在粉末生产 过程中不同批号粉末之间的性能差异 获得性能均匀的粉末料
粉末冶金的主要成形方法
模压成形
热压成形
温粉料在常温下、在封闭的钢模中、按规定的压力 下(一般为150~600MPa)、在普通机械式压力机或自动液压机 上将粉料制成压坯的方法。当对压模中的粉末施加压力后,粉 末颗粒间将发生相对移动,粉末颗粒将填充孔隙,使粉末体的
体积减小,粉末颗粒迅速达到最紧密的堆积。
温压成形
温压成形的基本工艺过程是将专用金属或合金粉末与聚合 物润滑剂混合后,采用特制的粉末加热系统、粉末输送系
统和模具加热系统,升温到75~150℃,压制成压坯,再
经预烧、烧结、整形等工序,可获得密度高至7.2~ 7.5g/cm3的铁基粉末冶金件。
温压成形的工艺流程
温压装置及其温度分布系统示意图
模压成形
模压成形工装设备简单、成本低,但由于压力分布不均匀, 会使压坯各个部分的密度分布不均匀而影响制品零件的性 能,适用于简单零件、小尺寸零件的成形。但普通模压成 形仍然是粉末冶金行业中最常见的一种工艺方法,通常经 历称粉、装粉、压制、保压、脱模等工序。
模压成形的基本步骤
A-装粉;b-压制;c-脱模
粉末冶金的主要成形方法
粉末成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状、 密度和强度的压坯的工艺过程,它可分为普通模压成形和 非模压成形两大类。普通模压成形是将金属粉末或混合粉 末装在压模内,通过压力机加压成形,这种传统的成形方 法在粉末冶金生产中占主导地位;非模压成形主要有等静 压成形、连续轧制成形、喷射成形、注射成形等。
热压模可选用高速钢及其他耐热合金,但使用温度应在 800℃以下。当温度更高(1500~2000℃)时,应采用石墨 材料制作模具,但承压能力要降低到70MPa以下。热压成 形加热的方式分为电阻间接加热式、电阻直接加热式、感 应加热式三种。为了减少空气中氧的危害,真空热压机已 得到广泛应用。
粉末冶金成型技术
粉末冶金成型技术粉末冶金成型技术是一种把制备的金属粉末混合成型的现代金属加工技术。
它有可能把任何金属粉末结合成复杂的物体,如构件和复杂的零件等,它不仅可以为生产有特殊形状的零件提供方便,而且可以减少材料的消耗,节省制造时间和成本。
粉末冶金成型技术分为热压成形和冷压成形两种。
热压成形是指把高温粉末压入模具,然后经过压力和高温处理,最后用特殊工艺把模具内的粉末变成给定形状。
冷压成形是指把低温粉末压入模具,然后经过一系列特殊工艺把粉末结合在一起形成一定形状的产品,最后通过高温固化使其变得坚硬。
粉末冶金成型技术不仅可以生产复杂形状的金属零件,而且可以满足生产小批量或单件零件的需求。
典型的应用包括机械零件、航空零件、航天用零件等。
粉末冶金成型技术具有一定的优势,首先,它可以实现复杂零件的加工,这避免了大多数切削加工工艺所面临的技术难题和加工费用的消耗;其次,它可以更有效地实现性能优良的零件,因为贴合技术可以把比普通切削加工技术更少的原料消耗量转变成更多的形状和功能;第三,它还可以在多种金属材料之间制造合金化的零件,并满足不同应用场合的要求。
此外,粉末冶金成型技术还可以在极低温和极高温环境中使用,并可以产生可靠的重复性和准确性,从而提供极低的废品率。
然而,粉末冶金成型技术也存在一些缺点。
正如上文所述,它依赖于模具和高温条件,且受模具形状限制,模具设计和开发费用也较高;对于密度更大的零件,贴合可能较其他方法的成本更高;因为模具的硬度较大,所以它的滑动性能不太好;另外,粉末冶金技术的产品有一定的粗糙性,很难达到高精度要求。
总之,粉末冶金成型技术是一种重要的金属加工技术,可以大大提高零件加工效率并降低成本。
然而,也有一些缺点需要解决,比如模具的高温及耐磨性、模具制造的费用高等,但只要正确使用粉末冶金技术,就能满足企业的实际需求。
高密度粉末冶金成形方法研究及优化
高密度粉末冶金成形方法研究及优化一、引言高密度粉末冶金成形技术是一种通过在粉末表面施加压力和温度实现金属材料成形的加工工艺。
该技术具有高效率、低成本、高精度、可逆性和可重复性等优点。
因此,在改进传统的金属成形过程以及开发新型金属材料时,高密度粉末冶金成形技术已成为一种备受关注的重要研究领域。
二、高密度粉末冶金成形方法的分类高密度粉末冶金成形技术根据成形前后粉末状况的变化,可分为以下几种方法:1. 等静压成形 (HIP)等静压成形是一种将高密度金属粉末放入成型模具中,先以低压力进行预压,随后在高温和高压力的条件下加以成形的加工方法。
等静压成形方法可以制造出具有高密度和高性能的复杂形状金属零件,如滚轮轴承、配气机构、燃气轮机叶片等等。
2. 烧结成型烧结成型是一种通过在制备过程中在粉末中添加一些粘结剂,使得粉末在高温条件下粘结在一起,然后进行成形的方法。
这种方法可以制造出高精度、高可靠性和抗热性能强的机械结构件和高强度、低密度的材料。
3. 挤压成形挤压成形是一种通过将金属粉末放入旋转式模具中,在模具两端施加压力来实现成形的加工方法。
这种方法较其他成形方式更为简单,适用于制作一些规则结构的中间件、链接件和管道接头。
4. 等离子粉末成形等离子粉末成形是一种将金属粉末喷射到等离子体火焰中进行高温加热,通过表面张力形成液态金属,并恰当地加压形成零件的一种成形工艺。
等离子粉末成形方法操作简单、可加工出具有高密度、高强度和高耐磨性的金属零件。
三、高密度粉末冶金成形方法的优化为了进一步提高高密度粉末冶金成形技术的加工效率、成形质量和材料性能,需要进行相应的优化。
优化方案一:材料的合理选择选择合适的材料是决定高密度粉末冶金成形成功与否的关键因素之一。
高密度粉末冶金成形的理想材料是那些粒度大小适中、形状均匀、流动性能好而且作为粉末冶金材料的化学成分方面相同或相似的金属粉末。
因此,选择质量优良、粘度适中的金属粉末是高密度粉末冶金成形过程中一个非常重要的环节。
第三章粉末冶金
无量纲量。坯块相对密度指坯块密度与同种固体金属密度之比。
图3-11坯块相对密度与压制压力的关系 1—银粉;2—涡旋铁粉;3—铜粉; 4—还原铁粉;5—镍粉;6—鉬粉
图3-12坯块相对密度与压制压力的关系 1—电解钍粉;2—钙热还原钍粉;3—还原锆粉; 4—研磨铍粉;5—氢化物离解铀粉; 6—硼化钛粉;7—铬粉
化学法:将金属或化合物粉末与添加的金属盐溶液均匀混合,或各组元
全部某种盐的溶液形式混合,然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀 布的化合物。化学法用于制取钨-铜-镍高密度合金,铁-镍磁性材料,银-
钨触头合金等混合物原料等
第三章成形 (3)筛分 筛分指把不同粒度的粉末通过网筛或振动筛进行分级,使粉末能够按 照粒度分成粒度范围更小的级别。 (4)制粒 制粒指将小颗粒粉末制成较大颗粒或团粒,目的是改善粉末的流动性。
l l0 l 100% 100% l l
式中δ—沿坯块高度或直径的弹性后效; l0——坯块卸压前的高度或直径; l——坯块卸压后的高度或直径。
图3-20各种粉末的弹性后效
第三章成形 (7)坯块密度及其分布 压制过程的主要目的是得到一定的坯块密度,并力求密度均匀分布,但 实践证明,坯块密度分布不均匀是压制过程的主要特征之一。 液体在模具内经受流体静压力后,压力传递到模具的任何一个面,即液 体力图向各个方向流动,而粉末在模具中压制时,主要是在施加力的 方向上移动。
b.密度达到一定值后,粉末体出现一定压缩阻力,由于位移大大减少,
而变形尚未开始,压力增加,但密度增加很少; c.当压力超过粉末颗粒的临界应力时,粉末颗粒开始变形,使坯块密度
继续增大。
图3-10坯块密度的变化规律
第三章成形 (5)压制压力与坯块相对密度的关系 相对密度指物质的密度与参考物质的密度在各自规定的条件下之比,
粉末技术-成形
22
4.2摩擦力 4.2.1摩擦力与压制压力的关系
摩擦力又叫摩擦压力损失。可用下式来表达: 4.2.2摩擦压力损失与压坯尺寸的关系
侧压力=压制压强X侧压系数X侧面积 摩擦力=侧压力X摩擦系数 压坯的侧压面积影响摩擦压力损失 ,即影响有效压制压力
曲面压坯的压制方法
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6.3成形剂的用量及效果 成形剂的加入量与粉末种类、颗粒大小、压制压力以及
摩擦表面有关,并与成形剂本身的性质有关。一般说来,细 颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗粒度粉末的量要多一些。 成形剂的加入随压坯形状因素的不同而不同。由图可知,成 形剂的加入量与形状因素成正比。
形状因素对成形剂加入量的影响
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(2)川北公夫压制理论 日本的川北公夫研究了多种粉末(大部分是金属氧化物)在压制
过程中的行为。采用钢压模,粉末装入压模后在压机上逐步加压,然 后测定粉末体的体积变化,作出各种粉末的压力-体积曲线,并得出 有关经验公式:
(3)黄培云压制理论方程 黄培云对粉末压制成形提出一种新的压制理论公式: 比较上述各压制方程可以看出:在多数情况下,黄培云的双对数
电 解 铜 粉压坯的抗 弯强度与 成形压力的 关系
还 原 铁 粉 压坯的抗 弯强度与成 形压力的关系
18
2
3.1金属粉末压制时压坯密度的变化规律 粉末体在压模中受压后发生位移和
变形,随着压力的增加,压坯的相对 密度出现有规律的变化,通常将这种 变化规律假设为如图所示的三个阶段。
压坯密度与成形压力的关系
4.1侧压力 粉末体在压模内受压时,压坯会向周围膨胀,模壁就会
DEFORM粉末冶金成形工艺数值模拟技术应用-安世亚太
DEFORM粉末冶金成形工艺数值模拟技术应用安世亚太公司晏建军1 前言金属粉末冶金成形已应用于多种工业机械零部件的成形工艺,包括齿轮、轮盘、汽车连杆等。
粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。
传统的成形方法有模压成形、等静压成形、挤压成形、轧制成形、注浆成形和热压铸成形等。
DEFORM金属粉末成形技术可实现粉末成形工艺过程的计算机数值模拟,预测粉末成形缺陷,优化加工工艺参数。
2 粉末冶金成形工艺优势及面临问题从制作机械零部件方面来看,粉末冶金法制作机械零部件是一种少切削、无切削工艺,可以大量减少切削加工量而节省机床,节约金属材料,提高劳动生产率。
用金属粉末冶金法制作机械结构零件时,比用其他加工方法的材料利用率高、能耗低。
粉末成形工艺过程的实现,涉及到工艺参数及模具结构设计等种种因素,粉末的初始装填密度、压机的锻压速度、压制力等对粉末冶金零件的成形形状、压实密度分布、成形应力应变等具有难以预测的影响,而成形零件的锻压质量又影响到产品的机械性能和使用寿命,因此如何更科学更准确地评估压实成形质量,是汽车齿轮、连杆等金属粉末加工产品的重要方面。
DEFORM塑性成形分析程度的金属粉末成形功能可预测成形过程中产品可能出现的缺陷、分析成形尺寸精度、各部位密度分布等现象,优化成形工艺参数,缩短研发周期。
3 DEFORM粉末冶金成形工艺方案的工业应用粉末冶金成形工艺模拟软件用于精确预测产品最终形状及机械加工件的密度分布,DEFORM数值模拟技术已成为产品及加工工艺设计和优化的有力工具。
在数值模拟计算系统中,可通过快速仿真分析,获得粉末成形模具粉料填充、材料流动、成形吨位、温度场分布、应力应变、能量及裂纹等信息,同时,该数值仿真系统可对粉末成形后的产品进行烧结工艺分析,预测烧结后的产品体积变化及内应力、密度,指导成形模具和工艺参数的优化设计。
在粉末冶金成形领域已获得良好的工业化应用。
粉末冶金成形
通过烧结过程中的物质迁移和相变,使烧结体内部孔隙减小或消失, 提高其密度和性能。
致密化程度
与烧结温度、时间、气氛等因素有关,需根据产品要求进行控制。
03 粉末冶金成形的关键技术
粉末注射成形技术
定义
粉末注射成形是一种将金属粉末与有机粘结 剂混合,通过注射机注入模具中成形,然后 脱脂和烧结的工艺。
能源领域
粉末冶金技术在风力发电、核能等领 域中用于制造高性能的零部件。
粉末冶金成形的优缺点
材料利用率高,减少材料 浪费;
可生产出形状复杂、精度 高的制品;
优点
01
03 02
粉末冶金成形的优缺点
01
可通过控制成分和工艺参数制备高性能材料;
02
适用于大规模生产。
缺点
03
粉末冶金成形的优缺点
生产过程中易产生粉尘污染; 制品内部可能存在孔隙和缺陷; 部分材料制备成本较高。
等静压成形技术
定义
等静压成形技术是一种利用液体介质传递压力,使金属粉末在各 个方向上均匀受压而成形的工艺。
优点
可生产高精度、高密度、高性能的产品,适用于大规模生产。
应用领域
广泛应用于陶瓷、粉末冶金等领域。
04 粉末冶金成形的材料性能
材料力学性能
硬度
抗拉强度
粉末冶金制品的硬度通常较高,可达到 HRC60以上,这主要得益于其致密的结构 和合金元素的固溶强化作用。
粉末冶金制品具有较高的抗拉强度,通常 在1000MPa以上,这与其致密的结构和晶 粒细化有关。
疲劳性能
韧性
由于其良好的力学性能,粉末冶金制品在 循环载荷下表现出良好的疲劳性能。
粉末冶金制品的韧性与其成分、显微组织 和热处理状态有关,通过合理的工艺控制 可以提高其韧性。
《粉末冶金成形》PPT课件
粒度分布 按粒度不同分为若干级,每一级粉末
(按质量、数量或体积)所占的百分比。
比表面积 单位质量粉末的总表面积,可算出颗粒的平均尺寸
精选PPT
4
流动性: 粉末的流动能力,用一定质量的粉末在规定条
件下从标准漏斗中流出所需的时间来表示。球形或接
近球形的颗粒及较宽的粒度分布,流动性↑。
3.
粉 松装密度:在规定条件下粉末自由填充单位容积的重量。
❖ 以上各过程往往相互重精选叠PPT,相互影响
7
5.2 粉末冶金工艺
金属粉末的制取→预处理→坯料的成形→烧结→后处理
5.2.1 粉末的制取 机械法和物理化学法两大类
1.机械法
用机械力将原材料粉碎而 化学成分基本不发生变化的
工艺过程。
球磨法:用于脆性材ห้องสมุดไป่ตู้及合金
研磨法:用于金属丝或小块边
角料
雾化法:用于熔点较低的金属精选PPT
(1) 冷等静压制: 在室温下的等静压
制,压力传递媒介通常为液体 冷等静压制压坯密度较高,较均匀,力学性能
(3) 用于:刃具、冷作模具、量具和不受冲击和振动的高耐磨零件。
(2) 烧结减摩材料:铁+石墨、青铜+石墨 工作时要求减少摩擦的材料:含油轴承 含油轴承特别适宜:不能经常加油的场合。
(3) 烧结摩擦材料:基体铁、铜+摩擦组元石棉、AL2O3+润滑剂石墨(MoS2)
能满足摩擦材料的性能要求 用于:机器上的制动带和离合器片等。
a) 高速气流雾化 b) 离心雾化
c) 旋转电极雾化
8
2.物理化学法
借助物理或化学作用,改变物料的化学成分或聚集状态而获取粉 末的方法。
还原法:用还原剂还原金属氧化物或盐类,使其成为金属粉末
粉末冶金的工艺流程-粉末成形
简介 粉末冶金生产中的基本工序之一,目的是将松散的粉末制成具有预定几何形
状、尺寸、密度和强度的半成品或成品。模压(钢模)成形是粉末冶金生产中采 用最广的成形方法。18世纪下半叶和19世纪上半叶,西班牙、俄国和英国为制造 铂制品,都曾采用了相似的粉末冶金工艺。当时俄国索博列夫斯基 (П.Г.Соболевсκий)使用 的是 钢模 和螺 旋压 机。 英 国的 沃拉 斯顿 (W.H.Wol laston )使 用 压 力 更 大 的 拉 杆 式 压 机 和 纯 度 更 高 的 铂 粉 ,制 得 了 几 乎 没 有 残余孔隙的致密铂材。后来,模压成形方法逐渐完善,并用来制造各种形状的铜 基 含 油 轴 承 等 产 品 。 20世 纪 30年 代 以 来 , 在 粉 末 冶 金 零 件 的 工 业 化 生 产 过 程 中 , 压 机 设 备 、模 具 设 计 等 方 面 不 断 改 进 , 模 压 成 形 方 法 得 到 了 更 大 的 发 展 ,机 械 化 和 自动化已达到较高的程度。为了扩大制品的尺寸和形状范围,特别是为了提高制 品密度和改善密度的均匀性相继出现和发展了多种成形方法。早期出现的有粉末 轧制、冷等静压制、挤压、热压等;50年代以来又出现了热等静压制、热挤压、 热锻等热成形方法。这些方法推动了全致密、高性能粉末金属材料的生产。 主要功能
料 为 金 属( 低 碳 钢 、不 锈 钢 、钛 ),还 可 用 玻 璃 和 陶 瓷 。由 于 温 度 和 等 静 压 力 的 同 时作用,可使许多种难以成形的材料达到或接近理论密度,并且晶粒细小,结构 均匀,各向同性和具有优异的性能。热等静压法最适宜于生产硬质合金、粉末高 温合金、粉末高速钢和金属铍等材料和制品;也可对熔铸制品进行二次处理,消 除气孔和微裂纹;还可用来制造不同材质紧密粘接的多层或复合材料与制品。 粉末锻造
粉末冶金:轧制成形与挤压成形
➢ 双金属或多层金属带材 ➢ 包覆型双金属线、板、带材
轧制特殊性能材料:
➢ 弥散强化型合金带材 ➢ 电工电子材料、磁性材料和超导材料 ➢ 耐磨、摩擦材料 ➢ 硬质合金、超硬工具材料
粉末挤压成型
➢什么是粉末挤压成型 ➢粉末挤压成型应用与特点 ➢坯料受力分析 ➢热挤压成型
什么是粉末挤压成型
什么是粉末挤压成型
原理:
什么是粉末挤压成型
粉末挤压成型的应用
➢ 管、棒、条及其他异型产品(齿轮、腰鼓形、 麻花形等)
➢ 金属、合金、复合材料、金属间化合物、陶 瓷
➢ 广泛应用于电子、机械、航空、汽车等领域
粉末挤压成型的应用
➢ 打印机打印针 ➢切烟滚刀 ➢WC-Co微型麻花钻 ➢碳化物棒材 ➢……
粉末轧制成形
➢轧制成形原理
➢轧制成形工艺
➢轧制成形的应用
轧制成形原理
三个不同状态的区 咬入角 咬入厚度
咬入角α
T cos Q R sin
T R tan Q R cos
tan
摩擦系数与侧压系数之和大于咬入角的正切
主要变形系数
质量守恒方程: HB1V1 hb2V2
带坯宽展很小时
热轧制成形
轧制成形的应用
粉末轧制成型的优点 ➢ 能生产常规轧制法难以生产或无法生产
的带材、板材 ➢ 能生产成分精确的带材、板材 ➢ 工艺简单、成本低、节能 ➢ 成材率高 ➢ 设备投资少
轧制成形的应用
轧制金属、合金的致密板、带材
轧制成形的应用
轧制成形的应用
轧制金属、合金的多孔板、带材
轧制成形的应用
H V2 2 h V1 1
H ; V2 ;Z 2
h
V1
粉末冶金成型的工艺过程
粉末冶金成型的工艺过程粉末冶金成型是一种利用粉末金属和其他复合材料制作各种形状和大小的零件的工艺,是一种广泛应用于航空航天、船舶、汽车、石油、机械制造和精密仪器等领域的一种重要工艺。
粉末冶金成型的工艺过程主要包括粉末成形、热处理和表面处理三个步骤。
首先,粉末成形。
将粉末金属或复合材料放入型腔内,然后用轧制机将其压实,形成特定的零件形状。
一般分两种方法:一种是热压成型,将粉末金属或复合材料装入型腔,然后将其加热,并用压力将其压实,使其形成所需的零件形状;另一种是压力成形,将粉末金属或复合材料装入型腔,然后用压力将其压实,使其形成所需的零件形状。
其次,热处理。
热处理对粉末冶金成型产品具有重要意义,其目的是改善材料的力学性能、改变材料的组织结构、调节材料的组织参数、提高材料的硬度和韧性等。
热处理可分为正火处理和回火处理两种,根据所需要的效果,可选用不同的工艺方式,如火焰热处理、氩弧焊热处理、电火花热处理等。
最后,表面处理。
表面处理的目的是使粉末冶金成型后的零件具有良好的外观和耐磨性,并且提高其耐腐蚀性。
表面处理的方法多种多样,如电镀、阳极氧化、氧化处理、涂装、抛光等。
由于粉末冶金成型产品的表面粗糙度较高,一般需要进行抛光处理,以改善表面光洁度和表面粗糙度。
粉末冶金成型的过程比较复杂,需要经过粉末成形、热处理和表面处理这三个步骤,才能得到满足要求的零件。
粉末冶金成型工艺具有加工复杂形状零件的优势,具有节约材料、提高加工精度、改善性能和缩短交货期等优点,已成为航空航天、船舶、汽车、石油、机械制造和精密仪器等领域的重要工艺。
Secondly, heat treatment. Heat treatment is of great significance to powder metallurgy forming products, which aims to improve the mechanical properties of materials, change the structure of materials, adjust the organization parameters of materials, increase the hardness and toughness of materials, etc. Heat treatment can be divided into two types: normalizing and annealing, different process can be selected according to the required effect, such as flame heat treatment, argon arc welding heat treatment, electric spark heat treatment, etc.。
机械制造基础-6.3粉末冶金成形技术(3)-烧结
第六章粉末冶金6.1 金属粉末的特性6.2 粉末制备技术6.3 粉末冶金成形技术第三节粉末冶金成形技术普通模压成形特殊成形烧结切削运动粉末成形后得到的压坯只是粉末颗粒界面接触的机械聚合体,必须经过适当的高温烧结,使颗粒间产生原子结合,才能获得质地坚硬、符合要求的成品。
粉末压坯的烧结就是在高温下借助原子迁移实现颗粒间冶金结合的过程。
粉末冶金烧结烧结?烧结过程烧结过程示意图烧结过程:黏结烧结颈长大闭孔隙球化和缩小a) 烧结前颗粒的接触状态;b) 烧结早期的烧结颈长大;c) 烧结后期孔隙球化黏结:烧结初期,原子扩散,颗粒间的机械接触点或面转变为晶体结合,即形成烧结颈。
该阶段烧结体不发生收缩,但烧结体强度和导电性明显增加。
烧结颈长大:中期阶段,原子向颗粒结合面大量迁移,烧结颈扩大,形成晶界和孔隙网络;同时晶粒长大,大量孔隙消失。
该阶段烧结体收缩,密度和强度明显增加。
闭孔隙球化和缩小:烧结后期,多数孔隙被分隔成封闭孔隙,并逐渐球化缩小。
烧结过程烧结过程烧结切削运动烧结工艺制度烧结温度烧结气氛保温时间起始烧结温度:指颗粒之间形成原子结合的最低温度。
通常以最低塔曼温度指数α(烧结热力学温度与材料熔点热力学温度之比)来表示,金属粉末的α指数在0.3~0.4之间。
实际烧结温度:指烧结工艺所制定的高温烧结阶段的温度,温度指数α=0.67~0.80,其下限略高于再结晶温度。
烧结温度越高,颗粒之间越容易烧结,烧结制品的性能越高。
烧结时间:指高温烧结阶段的保温时间。
在一定温度下,烧结时间越长,烧结越充分,烧结体性能也越高。
一般来讲,实际生产中,多采用提高温度,缩短时间的工艺来提高产品的性能。
烧结温度与烧结时间有缘学习更多+谓ygd3076考证资料或关注桃报:奉献教育(店铺)烧结气氛?防止环境对烧结制品的有害作用 排除有害杂质及润滑剂,净化炉气 维持烧结制品有用成分烧结气氛①氧化性气氛用于贵金属的烧结(如Ag)、氧化物弥散强化材料的烧结等;②还原性气氛用于烧结时还原被氧化的金属或保护金属不被氧化,如硬质合金、铜基、铁基制品;③惰性或中性气氛包括氮气、氩气、氦气及真空等,如活性金属可采用真空烧结。
粉末冶金成形
• 则得:
ln P l ( 1) C
• 在压力达最大值Pmax即压制终点时相对体积 β=1,所以(β-1)=0,则 • C=lnPmax 所以有: ln P l ( 1) ln P
max
•
•
lnPmax lnP lnP
• • •
β=1 β β
• 巴尔申方程示意图
代人上式得: 两边取对数,则上式变为:
ln P ln S 截 m ln
当压制到最大压力时,ρ 等于1, 所以得:
ln Pmax ln S 截 , 则S 截 Pmax
则可得:
ln P ln Pmax
P m ln , 或 m Pmax
m
或
P Pmax
铁-硫0.3%-石墨2.2%-硬脂酸 锌
青铜6-6-3-石墨0.75%-硬脂酸 锌
530 860
380 460 490 530
1.137 0.12-0.14
1. 085 0.088-0.100 1. 08 2. 0.09
1.09 0.08
•05 0.05-0.06 1.05 0.06
纯铁
纯铜
390
235 490
v sh h v k s k hk hk
dp dm
g / v v k hk 1 g / vk v h
1 , 1
由
代入上式则得:
dh d hk
dP dh k " k " d S hK P S
由虎克定律
代入上式得:
几种粉末与模壁之间的摩擦系数
粉末成分 铁-铜2.5-3%-石墨0.8-0.85%硬脂酸锌0.8% 铁-硫0.3%-石墨1.2%-硬脂酸 锌 860 单位压制压力 MPa 380 530 860 静摩擦系数 μ 静 1.140 2.175 0.17-0.19 0.15 动摩擦系数 μ 动 1.084 •105 0.110 0.10
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2.高速压制
瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是 粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采 用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关 键是压制速度比传统快500~1000倍,其压头速度高 达2~30m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的 重锤(5~1200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压 制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量 与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。
(2)生坯强度高
常规工艺的生坯强度约为10~20MPa,温压压坯的强度则为 25~30MPa,提高了1.25-2倍。生坯强度的提高可以大大降 低产品在转移过程中出现的掉边、掉角等缺陷,有利于制备 形状复杂的零件;同时,还有望对生坯直接进行机加工,免 去烧结后的机加工工序,降低了生产成本。这一点在温压烧结连杆制备中表现得尤为明显。
温压成型技术发展趋势: 预合金化粉末的制造技术; • 新型聚合物润滑剂的设计; • 石墨粉末有效添加技术; • 无偏析粉末的制造技术; • 温压系统制备技术。
温压成型技术应用:
温压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在 尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压 零件的密度得到了较好的提高,从而大大提高了铁基等粉 末冶金制品的可靠性,因此温压技术在汽车制造 机械制 造、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。
6.注射成形技术
Injection molding technology
金属粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用 而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶 瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量热塑性粘结剂与 粉料一起注入成形模中,施于低而均匀的等静压力, 使之固结成形,然后脱粘结剂烧结。
5.注射成形技术
美国开发出一种能在室温下生产全致密零 件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。此工艺称 之为“冷成形粉末冶金”。 它采用特殊配制的活化溶液与革新的进料 靴技术,在压力下精确地将粉末注入模中。加 压输送的进料靴使粉末填充更加均匀,而活性 溶液则防止形成氧化物,从而大大促进了冷焊 效应。
4.冷成形工艺应用 采用这一工艺可制得全致密的接近最终形 状的零件,而压制后无需烧结及机加工。此工 艺采用包覆粉末。但许多市售的金属或非金属 粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集 中于生产热操作零件,但这一工艺也适用于生 产结构件及其他用途的零件。
◆
◆ 压制件抗拉强度可提高20%~25%; ◆ 高速压制压坯径向弹性后效很小, ◆ 高速压制的密度较均匀,
其偏差小于0.01g/cm3。
3.温压成型技术
温压技术是近几年新发展的一项新技术。它是在 混合物中添加高温新型润滑剂,然后将粉末和模具加 热至423K左右进行刚性模压制,最后采用传统的烧结 工艺进行烧结的技术,是普通模压技术的发展与延 伸,被国际粉末冶金界誉为 “开创铁基粉末冶金零部 件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成 型技术。
模压示意图
压坯密度与压力
压坯密度分布不均匀:
单向压制实验,各层的厚度 和形状均发生了变化,由下右图 可知在任何垂直面上,上层密度 比下层密度大;在水平面上,接 近上模冲的断面的密度分布是两 边大,中间小;而远离上模冲的 截面的密度分别是中间大,两边 小。 因为粉末体在压模内受力后 向各个方向流动,于是引起垂直 于压模壁的侧压力。侧压力引起 摩擦力,会使压坯在高度方向存 在明显的压力降。
4.流动温压技术 流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金 属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和 加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动 性、填充能力和成形性。 这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑 剂含量来提高粉末材料的成形性。它是介于金属 注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。
4.流动温压技术
流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性,主要通过 两种方法来实现: 第一种方法是:向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够 填充在大颗粒之间的间隙中,从而提高了混合粉末的松装密度。 第二种方法是:比传统粉末冶金工艺加入更多的粘结剂和润 滑剂,但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘结剂或润滑剂的 加入量达到最优化后,混合粉末在压制中就转变成一种填充性很 高的液流体。
温压成型技术特点
其与传统模压工艺主要区别之处在于压制过程中将粉末和 模具加热到一定的温度,温度通常设定在130~150℃范围以 内,可使铁基粉末冶金零件密度提高0.15~0.4g/cm3,粉末 压坯相对密度可达到98-99%。 为了充分发挥在压制过程中的颗粒重排和塑性变形等温压 致密化机制,往往需要优化原料粉末设计(如形状、粒度组 成的选择),通过退火或扩散退火处理以改善粉末塑性,以 及往粉末中掺入高性能高温润滑剂(添加量通常0.6wt%)。
单向压制
为了改善压坯密度的不均 匀性,一般采取以下措施: 1 )减小摩擦力:模具内壁上 涂润滑油或采用内壁更光洁的 模具; 2)采用双向压制以改善压坯密 度分布的不均匀性; 3)模具设计时尽量降低高径比
双向压制
a)填充粉料
b)双向压坯
c)上冲模复位
d)顶出坯块
双向压制粉末冶金坯块工步示意图 粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。 常用的压力机吨位一般为500~5000kN。
温压成型技术
温压成型技术优点
(1)密度高且分布均匀 •常规一次压制-烧结最高密度一般为7.1g/cm3左右,温压一 次压制-烧结密度可达到7.40-7.50 g/cm3,温压二次压制-烧 结密度可高达7.6g/cm3左右。温压工艺中高性能润滑剂保 证了粉末与模壁之间具有较低的摩擦系数,使得压坯密度分 布更加均匀,采用温压工艺制备齿轮类零件时齿部与根部间 的密度差比常规压制工艺低0.1~0.2g/cm3。
(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于低 合金钢粉、不锈钢316L粉、纯Ti粉和WC-Co硬 质合金粉末。原则上它可适用于所有的粉末体 系,唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的 烧结性能,以便达到所要求的密度和性能。 (4)简化了工艺,降低了成本。
5.冷成形工艺
Cold forming technology
动磁压制的优点: • 由于不使用模具,成型时模壁摩擦减少到0,因而可 达到更高的压制压力,有利于提高产品,并且生产成 本低; •由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材 料,因而工作条件更加灵活; • 由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产 品中不含有杂质,性能较高,而且还有利于环保。
流动温压工艺主要特点: (1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用 常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉 末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆 和齿轮类零件等。 (2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松 装密度较高,经温压后的半成品密度可以达到很高 的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由 此得到的材料密度也更加均匀。
等静压成形
1.粉末预处理
预处理包括:粉末退火,筛分,混合,制粒,加润滑剂 等。 粉末的预先退火可使氧化物还原,降低碳和其他杂质的 含量,提高粉末的纯度;同时,还能消除粉末的加工硬化、 稳定粉末的晶体结构 。 筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。 混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均 匀的过程。混合可采用机械法和化学法。 制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序,以此 来改善粉末的流动性。
传统压制技术的局限: 1、模具要求高,占用生产成本比例大; 2、所加工部件尺寸受到限制; 3、部件密度分布不均匀; 4、脱模困难,工序长,生产效率低。
1.动磁压制技术
原理:将粉末装于一个导电的容 器(护套)内,置于高强磁场线圈 的中心腔中。对线圈通入高脉 冲电流,线圈腔中形成磁场,护套 内产生感应电流。感应电流与 施加磁场相互作用,产生由外向 内压缩护套的磁力,因而粉末得 到二维压制。整个压制过程不 足1ms。
动磁压制技术适应性
许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不 添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。 动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结, 其力学性能高于传统压制件。 动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄 壁管、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。
动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与 烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密 度高,其磁能积可提高15%-20%。 动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材料 的显微结构不变,因而也提高了材料性能。对于 象W、WC与陶瓷粉末等难压制材料,动磁压制 可达到较高的密度,从而降低烧结收缩率。 目前许多动磁压制的应用已接近工业化阶段, 第一台动磁压制系统已在运行中。
2.压制成形
压模压制是将置于压模内的松散粉 末施加一定的压力后,成为具有一定 尺寸、形状和一定密度、强度的压 坯。 粉末的压缩过程一般采用压坯密 度 —— 成形压力曲线来表示。压坯密 度变化分为三个阶段。滑动阶段:在 压力作用下粉末颗粒发生相对位移, 填充孔隙,压坯密度随压力增加而急 剧增加;二是粉末体出现压缩阻力, 即使再加压其孔隙度不能再减少,密 度不随压力增高而明显变化;三是当 压力超过粉末颗粒的临界压力时,粉 末颗粒开始变形,从而使其密度又随 压力增高而增加。
这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的 复杂形状结构(如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台 阶、壁、翼等)制品,具有更高的材质密度(93%~100% 的理论密度)和强韧性,并具有材质各向同性等特性。目 前该项技术成为粉末冶金领域最具活力的新技术 并已进入 工业化生产阶段。
注射成形技术的应用
金属粉末注射成型技术制作的产品有齿轮汽车部件、通 信器械元件(如手机的情报通信器械和计算机的 OA 器件)、 电动工具、门锁、乐器、医疗器件和缝纫机元件、工业设备 元件和磁性元件、枪支瞄准器支架、手枪退子钩和撞针、窗 户锁扇形块、纺织机的三角块、眼镜框架的柔性铰链、眼镜 脚、手表表壳等。产品都有一个明显的特点:其结构小而复 杂,密度和精度高等。制作材料除铁 镍合金外,还有钛及钛 合金、铝及铝合金、超硬合金和重合金等 。